計算機輔助技術(shù)在高職院校機械設(shè)計教學中的運用探思

徐 創(chuàng)

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學院 廣東韶關(guān) 512000）

如今機械設(shè)計領(lǐng)域正處于突飛猛進的發(fā)展狀態(tài)，傳統(tǒng)機械設(shè)計教學模式已經(jīng)無法完全滿足新時代高職學生的實際發(fā)展需求。機械設(shè)計在計算機技術(shù)相對落后的情況下，只能通過粗略計算處于靜止狀態(tài)的形體來實現(xiàn)設(shè)計目標，該類計算方法所得設(shè)計結(jié)果存在一定的不合理性而且工作效率比較低，不利于設(shè)計者有效把握設(shè)計精度。隨著計算機輔助技術(shù)在機械設(shè)計中的持續(xù)應(yīng)用，可充分利用電子技術(shù)建立數(shù)學模型并進行科學計算，實現(xiàn)精簡型動態(tài)設(shè)計。目前高職教育已逐步將機械設(shè)計納入教學重點，在教學實踐中應(yīng)注重計算機輔助技術(shù)與機械設(shè)計深度融合，力求提升教學實效的同時，培養(yǎng)更多滿足新時代發(fā)展需求的專業(yè)英才。

一、簡析計算機輔助機械設(shè)計的優(yōu)勢

（一）有利于提高機械設(shè)計效率

計算機輔助設(shè)計技術(shù)能將機械設(shè)備內(nèi)部配件的功能特性予以立體展示，計算機設(shè)備中的計算程序能確保機械設(shè)計工作順利開展，并通過相應(yīng)的計算機輔助程序來提高機械設(shè)計工作的計算精準度。采用計算機輔助機械設(shè)計技術(shù)既能節(jié)約人力資源成本又能實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動運算，使設(shè)計人員的工作強度得到大幅度降低。計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計領(lǐng)域，能結(jié)合客戶要求快速修改機械產(chǎn)品使其更加完善，進一步體現(xiàn)機械設(shè)計工作的便捷與合理性。相關(guān)工作人員在使用輔助程序修改原有方案時，能夠減輕自身工作壓力，在深度優(yōu)化傳統(tǒng)機械設(shè)計模式的同時，進一步提高機械設(shè)計工作質(zhì)量及效率。[1]

（二）有利于提高數(shù)據(jù)處理精準性

眾所周知，機械設(shè)計工作對數(shù)據(jù)的準確性要求較高，采用計算機輔助技術(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)計平臺，并結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控功能實時進行相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)管，以此提高相關(guān)數(shù)據(jù)的編輯與修改效率。在出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，機械設(shè)計人員可通過計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)直接進行簡單的操作即可完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)修復，以便于他們能及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理設(shè)計環(huán)節(jié)存在的各種疏漏，進而科學化處理各類信息并及時上報。在計算機輔助機械設(shè)計過程中，可充分利用現(xiàn)代CAD 技術(shù)進行相關(guān)數(shù)學建模，無須耗費過多人力、物力等資源就能最大限度還原三維立體實物，而且還能有效確保該類模型的穩(wěn)定性。在機械設(shè)計投入市場之前，可設(shè)專人負責模型檢測，從根本上消除機械設(shè)計所蘊含的各類安全隱患。除此之外，還可以利用計算機信息系統(tǒng)打破原有時間與空間方面的局限，充分發(fā)揮計算機超強的控制、計算能力，全方位分析設(shè)計參數(shù)并多角度監(jiān)管機械產(chǎn)品的設(shè)計效果，有利于減輕各類資源的不必要浪費，并提高機械產(chǎn)品設(shè)計的實用性。[2]

（三）有利于縮短機械設(shè)計工作周期，使零件的修改設(shè)計更加便捷

計算機輔助機械設(shè)計能在縮短機械項目設(shè)計周期的同時減輕設(shè)計人員的工作量，機械設(shè)計活動亦無須投入過多人力成本，減輕設(shè)計師的工作壓力。工程項目設(shè)計人員在遇到某些機械設(shè)計人員可針對復雜型機械結(jié)構(gòu)，使用CAD 等計算機輔助設(shè)計軟件快速展現(xiàn)三維立體的設(shè)計模型，將零件的煩瑣結(jié)構(gòu)以簡易的零件組合模式充分體現(xiàn)出來，不僅能降低設(shè)計難度還能切實提高設(shè)計工作的科學性。充分利用計算機輔助技術(shù)能避免機械設(shè)計環(huán)節(jié)的時間被過度浪費，而且設(shè)計人員在重新組裝簡易零部件時，還可以對其進行合理改良，以便于機械設(shè)計得到進一步創(chuàng)新。雖然機械設(shè)計在實操過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各類影響整體功能與設(shè)計效果的弊端問題，但設(shè)計人員可根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計要求及工作特性對其進行有效調(diào)整與改進。由于傳統(tǒng)機械設(shè)計多采用手繪等方式落實相關(guān)設(shè)計活動，一旦存在設(shè)計問題，勢必會增大修改難度，甚至可能需要重新繪制相關(guān)設(shè)計圖紙。而計算機輔助機械設(shè)計，則可輕松規(guī)避此類問題，它能在整體設(shè)計中模擬機械產(chǎn)品的裝配環(huán)境，并有效推演更換零件的相關(guān)流程等，使機械設(shè)計工作更加簡單、便捷，既能有效提升整體性的機械設(shè)計成果，又能合理控制機械設(shè)計成本。[3]

二、傳統(tǒng)高職院校機械設(shè)計教學中存在的問題

（一）題目單一且時間有限

傳統(tǒng)機械設(shè)計領(lǐng)域的課程設(shè)計題目多以帶式運輸機傳動系統(tǒng)設(shè)計為主，其中減速器的種類頗多（如齒輪/蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器等）。對于基礎(chǔ)薄弱的高職學生來說，他們在設(shè)計工作中可能會接觸到一級直齒圓柱齒輪減速器，而且相關(guān)教師會給不同小組學員提供不同類型的設(shè)計參數(shù)。之所以會使用單一題目，主要是想降低學習難度，確保學生能用書本上的知識解決實質(zhì)性問題。但是，網(wǎng)絡(luò)中的課程設(shè)計資料很多，若高年級的學生將設(shè)計資料進行外傳，極有可能會出現(xiàn)嚴重的抄襲現(xiàn)象。而且該類題目太過具體化，導致學生學了斜齒輪、蝸桿等之后無法將其有效應(yīng)用，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)課程設(shè)計一般都在相關(guān)課程結(jié)束后的半個月之內(nèi)完成，課程設(shè)計內(nèi)容包括電動機選型、傳動系統(tǒng)參數(shù)計算以及齒輪傳動、軸系等方面設(shè)計。各類零件都需要校核（如鍵、軸承等），學生應(yīng)提交相關(guān)的裝配圖、零件圖以及說明書等資料。整體計算過程大約需要3—5 天，因為繪制裝配草圖相當耗時間。教師相應(yīng)對其進行有效批改，而學生也應(yīng)做好相應(yīng)的返修工作，直到草圖無誤后才能對其進行后續(xù)完善。在機械設(shè)計比較倉促的情況下，部分學生會完全選擇參照例圖進行公差標注等操作，以至于最終的設(shè)計結(jié)果與實際需求并不相符。也有部分學生，沒時間校核軸或軸承等，在未進行深層次思考的情況下，極易滋生為了完成相關(guān)設(shè)計任務(wù)而選擇抄襲，不利于機械設(shè)計工作的有效開展。[4]

（二）教學理念、模式相對落后

高職院校機械設(shè)計教學中的傳統(tǒng)理念早已在教師心中根深蒂固，他們頗為重視理論方面的知識講授，并未真正意識到理論與實踐相結(jié)合的意義所在，導致學生對相關(guān)教學活動的主動性大幅度降低。學生無法真正弄懂相應(yīng)的教學內(nèi)容，教學效果也會因此受到不良影響。畢竟，機械設(shè)計屬于一種系統(tǒng)龐大且復雜性較強的課程體系，高校在縮短課時的情況下，會導致學生無法全面獲取綜合性較高的機械設(shè)計知識，不利于增強學生在機械設(shè)計綜合網(wǎng)絡(luò)平臺，提高自身分析、解決問題的能力。盡管很多企業(yè)早已不用手工制圖的方式進行機械設(shè)計工作，改用現(xiàn)代CAD 技術(shù)，奈何學校教育相對滯后。學生依然采用傳統(tǒng)手工方式制圖，對CAD 等先進軟件技術(shù)的認識與使用都比較薄弱。機械設(shè)計教師為了防止學生抄襲，才要求他們進行手工制圖，但若因為害怕學生抄襲而杜絕制圖軟件的使用，則不利于學生緊跟時代的步伐接觸前沿技術(shù)。因為傳統(tǒng)課程設(shè)計模式，一旦有某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，就會導致大規(guī)模返工，耗時又費力。因此，設(shè)計思路應(yīng)從創(chuàng)建三維模型入手，在裝配順利且相關(guān)運動互不干涉，并確保強度校核無誤的前提下，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)生成二維圖紙，然后再對其進行試制。[5]

利用三維軟件輔助設(shè)計能確保修改模型中的某個參數(shù)之后，其他參數(shù)也會同步變化，并生成新的模型設(shè)計圖紙。所以，學生應(yīng)積極學習并將三維制圖軟件使用技術(shù)充分運用到課程設(shè)計當中，以便于更好地進行自我完善。機械設(shè)計本身就屬于實踐性較強的專業(yè)，合理的實踐教學能起到事半功倍的效果。對于學生來說，他們可將所學的理論基礎(chǔ)知識在實踐過程中從機械結(jié)構(gòu)、工藝等方面進行應(yīng)用，獲取更多新的思想認知，并有效解決實踐環(huán)節(jié)存在的相關(guān)問題。若機械設(shè)計僅注重于理論知識方面的教學，則不利于強化學生對理論知識的理解與掌握，更不利于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，教學效果也會大打折扣。

三、計算機輔助技術(shù)在機械設(shè)計中的具體應(yīng)用策略

（一）優(yōu)化機械設(shè)計課程體系

機械設(shè)計課堂教學應(yīng)以學生為中心，著重構(gòu)建完善的知識系統(tǒng)并注重于培養(yǎng)學生的能力，使之成為滿足新時代發(fā)展要求的一體化課程體系。課堂教學不僅是單純的理論講解，還應(yīng)通過實操讓學生明白計算機輔助設(shè)計技術(shù)的使用原理，確保機械設(shè)計與機械制造等方面的課程理論知識能被合理化綜合運用。讓學生在學習過程中能把設(shè)計、繪圖以及制造等環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)，建立三維技術(shù)的全新機械設(shè)計系統(tǒng)，深入淺出地歸納繪圖環(huán)節(jié)的設(shè)計方法及原理，使學生善于總結(jié)設(shè)計方法，而非研究軟件本身，進而培養(yǎng)出工作態(tài)度嚴謹且創(chuàng)新能力較強的設(shè)計人才。

在課堂教學內(nèi)容方面應(yīng)充分考慮學生的學習需求，而非教師想教什么就教什么。機械專業(yè)就業(yè)面廣，學生可從事機械設(shè)計制造、工藝規(guī)程以及機械設(shè)計技術(shù)管理等，教師可圍繞學生的就業(yè)與發(fā)展需求，進行機械產(chǎn)品設(shè)計通用方法的歸納與講解，以圖文并茂的直觀方式，搭配通俗易懂的語言話術(shù)，從特征建模到裝配設(shè)計等逐個環(huán)節(jié)進行有效講解，直到后續(xù)工程圖的建立，以確保更多學生都能聽懂相關(guān)課程內(nèi)容。

積極改進當前的教學方法，把原來的被動型知識灌輸模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代技術(shù)指導模式進行教學，比如采取零件加工方式來確認建模流程時，首先應(yīng)指導學生進行零件分析，了解計算機軟件的實操方法，指導學生探索零件加工方法并引導其正確選用相關(guān)的零件草圖，必要時還應(yīng)為學生做出相應(yīng)的示范直到順利完成教學目標。如此，便能增強學生對機械設(shè)計的學習積極性，同步提高他們的課堂參與度及解決問題的能力。引導學生在機械設(shè)計工作中充分利用CAD 軟件程序，并了解其各項功能，以便于更好地完善相關(guān)模型。值得一提的是，機械設(shè)計教師應(yīng)指導學生嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定并確保他們能夠依照設(shè)計原理進行各環(huán)節(jié)的零部件排序，采用布爾運算技術(shù)達到合理布局零部件的效果。充分利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)有效改變零件狀態(tài)，使其滿足實際工程項目的各項指標要求，進而完善機械產(chǎn)品的實體模型，力求整體機械裝配圖保持自身應(yīng)有的科學性及完整性。

（二）應(yīng)用于三維造型

計算機輔助設(shè)計技術(shù)主要是通過三維造型設(shè)計來完善機械設(shè)計工作，利用計算機輔助程序立體化顯示三維機械產(chǎn)品的實時信息，使設(shè)計人員的思路更加清晰，以便于他們能夠以直觀、快速的方式有效調(diào)整或修改當前的設(shè)計方案，使整體設(shè)計效果達到最佳。計算機輔助設(shè)計軟件能夠整合并分析原有機械設(shè)計版本，并為后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化升級提供有力的技術(shù)支持。既能快速優(yōu)化三維造型效果，又能提高計算機輔助技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量與效率，使機械設(shè)計更加精準。有利于學生全面細致地認識機械設(shè)計模型，使其能直接在計算機軟件中快速調(diào)整相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，大幅度提高機械設(shè)計問題的修改效率。由于傳統(tǒng)機械設(shè)計作品中常會涉及電子文檔類型的標注或說明，該類文件資料通常需要手動操作。利用計算機輔助技術(shù)則可根據(jù)所創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型形成自動化的電子文檔，能有效節(jié)約機械設(shè)計的時間成本。[6]

（三）應(yīng)用于工程分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)試以及逆向工程等

機械設(shè)計應(yīng)根據(jù)機械產(chǎn)品的功能要求，合理分析其力學結(jié)構(gòu)與性能。采取動力學建模分析并嚴格落實CAD 程序工程分析與結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面工作。充分利用計算機軟件系統(tǒng)將機械產(chǎn)品的三維實體模型直接導入有限元分析程序之中，即可對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行有效改進與優(yōu)化，并針對設(shè)計中的碰撞問題、材料強度以及運動狀態(tài)等進行細致化認證。對于機械設(shè)計來說，有時也會通過逆向工程的形式完成機械設(shè)計任務(wù)。畢竟逆向工程設(shè)計技術(shù)比較先進，能切實滿足當下行業(yè)發(fā)展的最新需求。因此，必須結(jié)合最新科研成果持續(xù)創(chuàng)新并完善逆向工程設(shè)計技術(shù)，然后利用計算機輔助技術(shù)及新型CAD 制圖軟件，采取測量坐標的方式使逆向工程轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M模型，最大限度減輕逆向工設(shè)計在應(yīng)用過程中的工作壓力，以此提高其應(yīng)用效率及整體機械設(shè)計水平。

結(jié)語

綜上所述，計算機輔助設(shè)計技術(shù)能夠減輕機械設(shè)計人員的實際工作量，以理論與實踐相結(jié)合的方式提高設(shè)計人員處理問題的能力。在提高機械設(shè)計智能化水平及信息處理效率的同時，有效解決了傳統(tǒng)教學模式中的各種弊端問題，既能避免人工失誤又能節(jié)約成本，有利于高校在培養(yǎng)高端人才的同時推動機械設(shè)計行業(yè)的進一步發(fā)展。